【摘要】隨著(zhù)分布式新能源和智能電網(wǎng)的發(fā)展，微電網(wǎng)技術(shù)進(jìn)步的需求越來(lái)越迫切。文章通過(guò)研究微電網(wǎng)的特點(diǎn)，提出了一種用于改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量的集裝箱儲能系統，包括儲能電池簇、電池管理系統、功率變換系統、儲能監控系統等，設計出具有三層架構的電池管理系統和多組電池獨立控制的功率變換系統，經(jīng)過(guò)實(shí)際運行證明能夠改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】微電網(wǎng)；集裝箱儲能系統；電池管理系統；功率變換系統

1微電網(wǎng)概述

近年來(lái)為了解決能源危機、環(huán)境問(wèn)題以及提高電力供應的可靠性，分布式發(fā)電技術(shù)得到廣泛關(guān)注。但是大量分布式電源的接入會(huì )給電力系統的穩定性、電能質(zhì)量帶來(lái)負面影響。為了解決電網(wǎng)和分布式發(fā)電之間的矛盾，充分發(fā)揮分布式發(fā)電的優(yōu)勢，本世紀初，學(xué)術(shù)界提出了微電網(wǎng)（MicroGrid，MG）的概念，既可與電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可在電網(wǎng)故障或需要時(shí)脫離主網(wǎng)獨立運行。微電網(wǎng)扮演著(zhù)雙重角色：對于電網(wǎng)來(lái)說(shuō)是單一可控的單元，可接受控制信號并在數秒內做出響應來(lái)滿(mǎn)足系統的需要；對于用戶(hù)，微電網(wǎng)是可定制的電源，能滿(mǎn)足用戶(hù)多樣化的需求。因此，微電網(wǎng)已成為分布式發(fā)電*有效的利用方式。典型微電網(wǎng)系統組成見(jiàn)圖1。

微電網(wǎng)系統主要由風(fēng)力發(fā)電機、分布式光伏、儲能系統、柴油發(fā)電機組、微電網(wǎng)母線(xiàn)、配電網(wǎng)以及各類(lèi)負荷組成。其中光伏和光伏逆變器構成光伏電源系統，與風(fēng)力發(fā)電機都屬于分布式電源；儲能系統作為電能調節裝置；柴油發(fā)電機組作為輔助電源；負荷由生產(chǎn)車(chē)間、動(dòng)力供應點(diǎn)及其他負荷組成。

微電網(wǎng)中分布式電源的運行狀態(tài)很容易受到外界環(huán)境影響，導致其輸出產(chǎn)生波動(dòng)，影響微電網(wǎng)穩定運行。儲能系統接入微電網(wǎng)，可以作為后備電源提供短時(shí)供電，也能夠解決電壓跌落、瞬時(shí)供電中斷等動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)調壓、調頻以及系統故障時(shí)的低電壓穿越等維持系統穩定，通過(guò)向電網(wǎng)及負荷提供有功和無(wú)功補償、維持電壓穩定等改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量。因此儲能系統成為調節微電源性能，保證負荷供電質(zhì)量，抑制系統振蕩的重要環(huán)節，研究?jì)δ芟到y在微電網(wǎng)中的應用具有重要的意義。

2集裝箱儲能系統

集裝箱儲能系統主要由儲能電池簇、電池管理系統（BMS）、功率變換系統（PCS）、儲能監控系統（EMS）等組成，見(jiàn)圖2。其技術(shù)核心是電池模塊和電池簇結構設計、電池管理系統技術(shù)、電池系統的控制技術(shù)、熱管理系統設計等。

圖2中，儲能電池簇、電池簇控制單元、PCS以及電網(wǎng)構成動(dòng)力主回路，進(jìn)行電能的轉換和輸入輸出。儲能電池管理模塊（BMU）、組端采集模塊（BCMU）、儲能系統管理單元（BAMS）、PCS以及EMS構成通信網(wǎng)絡(luò )，傳輸采集數據、報警信息和控制信號，實(shí)現對儲能系統的即時(shí)控制。BMU與儲能電池直接連接，獲取單體電池的電壓、溫度、SOC等信息，其中均衡模塊可以對電池進(jìn)行均衡維護。BCMU連接至整組電池及動(dòng)力主回路，可采集組端電壓、主回路電流等信息。其中斷路器（QF）、直流接觸器（KM）和熔斷器（FU）構成主電路的保護和控制結構，分流器（FL）用于采集電池簇電流。

3兆瓦級集裝箱儲能系統介紹

某地區為了實(shí)現儲能與光伏能源互補，平滑隨機氣象、技術(shù)原因引起的新能源間隙性波動(dòng)，實(shí)現清潔能源高效利用，同時(shí)達到針對峰谷電價(jià)策略，按照夜儲日供的策略，減少單位用電支出的目的，建設了總容量為1.5MWh的集裝箱儲能系統，見(jiàn)圖3。該集裝箱式電池儲能系統是以40尺標準集裝箱為載體，將磷酸鐵鋰電池系統、PCS、BMS、EMS、空調系統、消防系統、配電系統等集中在一個(gè)特制箱體內，以實(shí)現高集成度、大容量、可移動(dòng)的儲能裝置，具有隔熱、恒溫、消防阻燃、防風(fēng)沙等特點(diǎn)，滿(mǎn)足復雜環(huán)境下的使用。

3.1磷酸鐵鋰電池簇

磷酸鐵鋰電池具有較高的安全性，電池不會(huì )因過(guò)充、過(guò)放、溫度過(guò)高、短路、撞擊而產(chǎn)生爆炸或燃燒。同時(shí)磷酸鐵鋰電池為綠色環(huán)保電池，不含重金屬與稀有金屬，無(wú)毒、無(wú)污染。為達到系統功率和容量要求，電池簇設計時(shí)采用8簇電池并聯(lián)，每簇96個(gè)6.4V320Ah電池模塊串聯(lián)，串并聯(lián)后總容量達到1.57MWh。

3.2BMS

電池管理系統具備三層架構，主要由單體電池管理模塊BMU、組端采集模塊BCMU、儲能系統管理單元BAMS、充/放電保護單元組成。

（1）系統功能

BMS通過(guò)三層模塊實(shí)時(shí)檢測和上傳電池及電池簇電壓、溫度、電流等電池參數，估算電池SOC、SOH、電量等能量狀態(tài)，電池報警和保護，電池簇均衡，BMS故障診斷，與其他系統通信，實(shí)現電池智能管理。BMU實(shí)現電池電壓和溫度模擬量測量、電池電壓和溫度異常報警和上報、電池SOC和SOH估算、電池均衡等功能。BCMU實(shí)現電池簇電壓、電流、環(huán)境溫度、絕緣電阻檢測，電池簇電壓、電流、環(huán)境溫度、絕緣異常報警，電池簇SOC估算，執行電池簇保護，單體電池信息上傳等。BAMS上傳和匯總展示電池及電池簇信息，電量計算，BMS系統內故障診斷，BMS參數設定，電池簇就地監控，與PCS和EMS通信等。

（2）通訊

模塊BMU、BCMU、BAMS之間通過(guò)CAN總線(xiàn)高速率通訊，能夠實(shí)時(shí)獲取電池電壓、電流、SOC、溫度等信息。同時(shí)自下而上地采集信息和自上而下地控制信號都能及時(shí)送達，保證了系統控制的即時(shí)和準確。BMS和PCS采用基于RS485接口的MODBUS協(xié)議通信。BMS與上級監控主機使用RJ45通信，數據傳輸采用TCP/IP及MODBUS協(xié)議。因此通過(guò)遠程服務(wù)器經(jīng)以太網(wǎng)可對集裝箱儲能系統進(jìn)行實(shí)時(shí)監控與數據管理，實(shí)現遙測、遙信、遙控，使儲能系統得以及時(shí)的維護，保證儲能系統的安全運行，提高供電系統的可靠性。

3.3PCS

電池簇通過(guò)功率變換系統與電網(wǎng)交換能量，起到了電池與電網(wǎng)間連接的接口作用，實(shí)現能量在電池與電網(wǎng)間的雙向交換。該儲能系統需要實(shí)現四組電池的單獨控制，通過(guò)投切靈活配置容量，DC/DC變換器采用下垂控制。

由于單級型功率變換系統拓撲結構容量不能隨時(shí)改變，儲能系統電壓輸出不穩定，均流特性較差。該微電網(wǎng)中的功率變換系統作為光儲互補系統的一部分，需要實(shí)現多組電池的獨立控制、系統容量的自由配置及根據實(shí)際情況投切電池簇，故功率變換系統設計為多級型拓撲結構。多級型功率變換系統將蓄電池簇產(chǎn)生的直流電能先經(jīng)過(guò)DC/DC變換器升壓，再供給PWM變流器作為直流側輸入電壓，經(jīng)逆變后輸入電網(wǎng)。反之電網(wǎng)產(chǎn)生的交流電能，經(jīng)過(guò)PWM變流器整流成直流電壓，經(jīng)過(guò)DC/DC變換器降壓，輸出儲能電池簇的充電電壓。

3.4EMS

EMS搭載在控制主機上，采用B/S架構設計，通過(guò)以太網(wǎng)通信獲取電池、BMS、

PCS的基本信息以及儲能系統工作環(huán)境狀態(tài)信息等基本數據，并對其處理分析，智能管理、

控制調度電池模塊充放電；EMS具有可視化交互界面，實(shí)時(shí)更新顯示儲能系統狀態(tài)；EMS將運行過(guò)程中的儲能系統狀態(tài)數據、故障報警數據、工作人員操作信息等，記錄并存入數據庫，以供調用、查詢(xún)。EMS還能對電池做在線(xiàn)的、實(shí)時(shí)的健康狀態(tài)評估，便于用戶(hù)及時(shí)了解電池的性能，提高工作效率，減少工作負擔。

4優(yōu)勢

本文設計的集裝箱儲能系統具有可移動(dòng)、靈活性強、可擴充、可拆卸等功能，無(wú)論從商業(yè)角度還是技術(shù)角度都有一定的實(shí)用價(jià)值。其主要特點(diǎn)有以下幾面：

（1）模塊化：集裝箱集成了完整的儲能系統設備，外形上具有標準的尺寸，方便海運和陸運。它可以用起重機吊裝，適用于船舶、卡車(chē)和安置地點(diǎn)的裝卸，可快速安裝、投運和改造。

（2）靈活接口：集裝箱儲能系統的動(dòng)力、通信等接口采用標準化設計，適用任何接入需求，如空調、光伏、風(fēng)機、電力電纜和其他設備的接入。

（3）良好的保護：集裝箱本身具備穩固的結構和良好的密封性，能防塵、防腐、防潮，在運輸過(guò)程中保護內在設備和設施，并在儲能系統的生命期內提供良好的保護，免受天氣、運輸及其他環(huán)境的侵害。

（4）可移動(dòng)性：綜合比較其他儲能電池，鋰電池能量密度高，可移動(dòng)性強，不受地域限制，便于裝卸和運輸。

5應用

集裝箱儲能系統接入微電網(wǎng)母線(xiàn)，微電網(wǎng)根據峰谷特性，在谷段對電池進(jìn)行充電，將多余電能儲存起來(lái)，在峰段將能量回饋給電網(wǎng)。風(fēng)電、光伏發(fā)電系統可以根據微網(wǎng)系統控制選擇接入母線(xiàn)；接入母線(xiàn)時(shí)，可以將風(fēng)電、光伏等能量?jì)Υ嫫饋?lái)，真正實(shí)現了“負荷調節、配合新能源接入、彌補線(xiàn)損、功率補償、提高電能質(zhì)量"，也可以實(shí)現孤網(wǎng)運行功能。儲能電池簇充電結束處于備用狀態(tài)，可由后臺統一控制回饋電網(wǎng)。以兆瓦級儲能系統作為一個(gè)單元，適用范圍廣，可以通過(guò)多個(gè)單元并聯(lián)組合擴充容量。

1. Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統

6.1系統概述

安科瑞儲能能量管理系統Acrel-2000ES，專(zhuān)門(mén)針對工商業(yè)儲能柜、儲能集裝箱研發(fā)的一款儲能EMS，具有完善的儲能監控與管理功能,涵蓋了儲能系統設備(PCS、BMS、電表、消防、空調等)的詳細信息,實(shí)現了數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢(xún)與分析、可視化監控、報警管理、統計報表等功能。在高級應用上支持能量調度,具備計劃曲線(xiàn)、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

6.2系統結構

Acrel-2000ES，可通過(guò)直采或者通過(guò)通訊管理或串口服務(wù)器將儲能柜或者儲能集裝箱內部的設備接入系統。系統結構如下：

6.3系統功能

6.3.1實(shí)時(shí)監測

系統人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測PCS、BMS以及環(huán)境參數信息，如電參量、溫度、濕度等。實(shí)時(shí)顯示有關(guān)故障、告警、收益等信息。

6.3.2設備監控

系統能夠實(shí)時(shí)監測PCS、BMS、電表、空調、消防、除濕機等設備的運行狀態(tài)及運行模式。

PCS監控：滿(mǎn)足儲能變流器的參數與限值設置；運行模式設置；實(shí)現儲能變流器交直流側電壓、電流、功率及充放電量參數的采集與展示；實(shí)現PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監測。

BMS監控：滿(mǎn)足電池管理系統的參數與限值設置；實(shí)現儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監測；實(shí)現電池充放電狀態(tài)、電壓、電流及溫度異常狀態(tài)的告警。

空調監控：滿(mǎn)足環(huán)境溫度的監測，可根據設置的閾值進(jìn)行空調溫度的聯(lián)動(dòng)調節，并實(shí)時(shí)監測空調的運行狀態(tài)及溫濕度數據，以曲線(xiàn)形式進(jìn)行展示。

UPS監控：滿(mǎn)足UPS的運行狀態(tài)及相關(guān)電參量監測。

6.3.3曲線(xiàn)報表

系統能夠對PCS充放電功率曲線(xiàn)、SOC變換曲線(xiàn)、及電壓、電流、溫度等歷史曲線(xiàn)的查詢(xún)與展示。

6.3.4策略配置

滿(mǎn)足儲能系統設備參數的配置、電價(jià)參數與時(shí)段的設置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計劃曲線(xiàn)、削峰填谷、需量控制等。

6.3.5實(shí)時(shí)報警

儲能能量管理系統具有實(shí)時(shí)告警功能，系統能夠對儲能充放電越限、溫度越限、設備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

6.3.6事件查詢(xún)統計

儲能能量管理系統能夠對遙信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。

6.3.7遙控操作

可以通過(guò)每個(gè)設備下面的紅色按鈕對PCS、風(fēng)機、除濕機、空調控制器、照明等設備進(jìn)行相應的控制，但是當設備未通信上時(shí)，控制按鈕會(huì )顯示無(wú)效狀態(tài)。

6.3.8用戶(hù)權限管理

儲能能量管理系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶(hù)權限管理功能。通過(guò)用戶(hù)權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）?？梢远x不同級別用戶(hù)的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

7結束語(yǔ)

本文提出了一套適用于微電網(wǎng)的集裝箱儲能系統，該集裝箱儲能系統主要包含磷酸鐵鋰電池簇、電池管理系統、功率變換系統和儲能監控系統，詳細介紹了每個(gè)系統的作用及相互間的聯(lián)系。本文提出的集裝箱儲能系統設計方案已經(jīng)在1.5MWh微電網(wǎng)儲能項目中投入使用，在長(cháng)期運行過(guò)程中證實(shí)了該方案的實(shí)用性及可行性，對改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量起到了積極作用。

參考文獻

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